KR102188596B1 - Radar using array antenna rotation and method for acquiring 3d image thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수의 안테나가 배열된 배열 안테나부, 다수의 안테나가 배열된 평면에서 미리 지정된 회전 원점을 중심으로 배열 안테나부를 평면에 평행하게 기설정된 회전 각도 단위로 회전시키는 회전 구동부, 기지정된 레이다 사양에 따라 회전 각도 단위와 회전 각도 단위로 배열 안테나부를 회전시킬 최대 회전 횟수를 설정하고, 설정된 회전 각도 단위와 최대 회전 횟수에 따라 회전 구동부를 제어하는 안테나 제어부 및 배열 안테나부의 회전 위치별로 배열 안테나부를 통해 기지정된 파형의 송신 신호를 방사하고, 다수의 안테나 각각으로 수신되는 수신 신호에 배열 안테나부의 회전 위치에 따른 복소 가중치를 가중하여 합성하고, 3차원 위치별로 합성된 신호 세기를 표시하여 3차원 영상을 획득하는 신호 처리부를 포함하는 레이다 및 이의 3차원 영상 획득 방법을 제공할 수 있다.The present invention provides an array antenna unit in which a plurality of antennas are arranged, a rotation drive unit that rotates the array antenna unit in a predetermined rotation angle unit parallel to the plane around a predetermined rotation origin in a plane in which the plurality of antennas are arranged, and a predetermined radar specification. According to the rotation angle unit and the rotation angle unit, the maximum number of rotations to rotate the array antenna unit is set, and the antenna control unit that controls the rotation driver according to the set rotation angle unit and the maximum number of rotations, and the array antenna unit for each rotation position of the array antenna unit. A transmission signal of a predetermined waveform is radiated, and a complex weight according to the rotational position of the array antenna is weighted to the received signal received by each of the plurality of antennas, and the synthesized signal strength is displayed for each 3D position to produce a 3D image. It is possible to provide a radar including an acquired signal processor and a method of obtaining a 3D image thereof.

Figure R1020190048871
Figure R1020190048871

Description

배열 안테나의 회전을 이용한 레이다 및 이의 3차원 영상 획득 방법{RADAR USING ARRAY ANTENNA ROTATION AND METHOD FOR ACQUIRING 3D IMAGE THEREOF}Radar using the rotation of an array antenna and its 3D image acquisition method {RADAR USING ARRAY ANTENNA ROTATION AND METHOD FOR ACQUIRING 3D IMAGE THEREOF}

본 발명은 레이다 및 이의 3차원 영상 획득 방법에 관한 것으로, 배열 안테나의 회전을 이용한 레이다 및 이의 3차원 영상 획득 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a radar and a method of obtaining a 3D image thereof, and to a radar using a rotation of an array antenna and a method of obtaining a 3D image thereof.

디지털 빔포밍 기술은 레이다 채널에서 수신된 신호를 사용하여 실제 안테나 빔보다 고해상도의 빔으로 합성하고, 원하는 지향 방향으로 조향할 수 있도록 하는 기술이다.The digital beamforming technology is a technology that uses a signal received from a radar channel to synthesize a beam of higher resolution than an actual antenna beam and steers in a desired direction.

디지털 빔 포밍에서 빔의 합성은 각 채널에 복소 가중치(complex weight)를 곱한 후 신호를 더하여 수행하며, 빔의 조향은 각 채널의 복소 가중치를 변경하여 수행하게 된다. 여기서 주어진 빔 조향 방향에 따른 복소 가중치는 각 채널의 안테나 위치와 중심 주파수의 파장에 의해 결정된다.In digital beamforming, beam synthesis is performed by multiplying each channel by a complex weight and then adding a signal, and beam steering is performed by changing the complex weight of each channel. Here, the complex weight according to the given beam steering direction is determined by the antenna position of each channel and the wavelength of the center frequency.

이 때, 각 채널의 안테나 위치 사이의 간격이 중심 주파수 파장의 절반보다 크면, 표적이 실제로 위치하지 않는 각도에 신호가 크게 합성되어 나타나는 각도 모호성이 발생하게 된다. 즉 표적의 위치를 오인하게 된다. 따라서, 디지털 빔포밍 기술을 활용하기 위해서는 안테나 사이의 간격을 좁혀야 하며, 이를 위해서 안테나를 작게 설계해야 한다.At this time, if the distance between the antenna positions of each channel is greater than half of the center frequency wavelength, the angular ambiguity occurs as a signal is largely synthesized at an angle where the target is not actually located. In other words, the location of the target is misunderstood. Therefore, in order to use the digital beamforming technology, the distance between antennas must be narrowed, and for this purpose, the antenna must be designed to be small.

그러나 안테나 사이의 간격을 좁히면 안테나의 이득이 줄어드는 효과가 있어 레이다 탐지거리가 줄어들게 된다. 또한, 밀리미터파 대역과 같이 초고주파수 신호의 파장은 매우 작기 때문에 안테나 사이의 간격을 파장의 절반보다 작게 회로나 하드웨어를 설계할 수 없는 경우가 있다. 즉 각도 모호성을 제거할 수 없는 상황이 발생하게 되는 한계가 있다.However, if the distance between the antennas is narrowed, the gain of the antenna is reduced, and the radar detection distance is reduced. In addition, since the wavelength of the ultra-high frequency signal is very small, such as in the millimeter wave band, there are cases where it is not possible to design a circuit or hardware with an interval between antennas smaller than half the wavelength. In other words, there is a limit in that a situation in which angle ambiguity cannot be removed occurs.

한국 공개 특허 제10-2017-0047773 호 (2017.05.08 공개)Korean Patent Publication No. 10-2017-0047773 (published on May 08, 2017)

본 발명의 목적은 다수의 안테나가 중심 주파수 파장의 1/2 이상 간격으로 배치되어도 배열 안테나의 회전을 이용하여 각도 모호성을 해소 할 수 있는 레이다 및 이의 3차원 영상 획득 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a radar capable of solving angular ambiguity using rotation of an array antenna even when a plurality of antennas are arranged at intervals of 1/2 or more of a center frequency wavelength, and a method of obtaining a 3D image thereof.

본 발명의 다른 목적은 요구되는 각도 해상도를 갖도록 레이다의 배열 안테나를 다수의 안테나가 배열된 평면에서 미리 지정된 회전 원점을 중심으로 평면에 평행하게 회전시켜 3차원 영상을 획득할 수 있는 레이다 및 이의 3차원 영상 획득 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is a radar capable of obtaining a 3D image by rotating an array antenna of a radar in parallel with a plane around a predetermined rotation origin in a plane in which a plurality of antennas are arranged to have a required angular resolution, and 3 It is to provide a dimensional image acquisition method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이다는 다수의 안테나가 배열된 배열 안테나부; 상기 다수의 안테나가 배열된 평면에서 미리 지정된 회전 원점을 중심으로 상기 배열 안테나부를 평면에 평행하게 기설정된 회전 각도 단위로 회전시키는 회전 구동부; 기지정된 레이다 사양에 따라 상기 회전 각도 단위와 상기 회전 각도 단위로 상기 배열 안테나부를 회전시킬 최대 회전 횟수를 설정하고, 설정된 상기 회전 각도 단위와 상기 최대 회전 횟수에 따라 상기 회전 구동부를 제어하는 안테나 제어부; 및 상기 배열 안테나부의 회전 위치별로 상기 배열 안테나부를 통해 기지정된 파형의 송신 신호를 방사하고, 상기 다수의 안테나 각각으로 수신되는 수신 신호에 상기 배열 안테나부의 회전 위치에 따른 복소 가중치를 가중하여 합성하고, 3차원 위치별로 합성된 신호 세기를 표시하여 3차원 영상을 획득하는 신호 처리부; 를 포함한다.A radar according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes an array antenna unit in which a plurality of antennas are arranged; A rotation driving unit configured to rotate the array antenna unit in a predetermined rotation angle unit parallel to a plane around a predetermined rotation origin in a plane in which the plurality of antennas are arranged; An antenna control unit configured to set a maximum number of rotations to rotate the array antenna unit in the rotation angle unit and the rotation angle unit according to a predetermined radar specification, and control the rotation driving unit according to the set rotation angle unit and the maximum number of rotations; And radiating a transmission signal of a predetermined waveform through the array antenna unit for each rotational position of the array antenna unit, and adding a complex weight according to the rotation position of the array antenna unit to the received signal received by each of the plurality of antennas to synthesize, A signal processor for obtaining a 3D image by displaying the synthesized signal strength for each 3D position; Includes.

상기 안테나 제어부는 상기 레이다의 중심 주파수의 파장(λ)과 요구되는 빔폭(θ3dB) 및 각도 해상도(δθ3dB)와 상기 다수의 안테나의 배열에 따른 다수의 채널의 배치 구조를 확인하고, 상기 회전 원점과 회전 원점에서 가장 먼 거리의 채널의 위상 중심 거리인 최대 위상 중심 거리(al,max)와 빔폭(θ3dB)에 따라 상기 회전 각도 단위(Δα)를 수학식

Figure 112019043133918-pat00001
을 만족하도록 설정할 수 있다.The antenna control unit checks the wavelength (λ) of the center frequency of the radar, the required beam width (θ 3dB ) and angular resolution (δθ 3dB ), and the arrangement structure of a plurality of channels according to the arrangement of the plurality of antennas, and the rotation Equation of the rotation angle unit (Δα) according to the maximum phase center distance (a l,max ) and the beam width (θ 3dB ), which is the phase center distance of the channel at the farthest distance from the origin and the rotation origin.
Figure 112019043133918-pat00001
Can be set to satisfy.

상기 안테나 제어부는 상기 배열 안테나부의 다수의 채널의 위상 중심이 상기 회전 원점을 중심으로 n차 회전 대칭으로 배치된 경우, 상기 최대 회전 횟수(M)를 수학식

Figure 112019043133918-pat00002
를 만족하도록 설정할 수 있다.The antenna control unit calculates the maximum number of rotations (M) when the phase centers of the plurality of channels of the array antenna unit are arranged in an n-th rotational symmetry around the rotation origin.
Figure 112019043133918-pat00002
Can be set to satisfy

상기 신호 처리부는 상기 레이다에 지정된 방위각(φ) 및 고도각(θ) 범위, 방위각(φ) 및 고도각(θ) 범위 내에서 샘플링되는 샘플 개수(N φ , Nθ), 거리 압축에 의해 획득되는 거리 정보 개수(Nr)를 확인하고, N φ × Nθ × Nr 개의 3차원 구형 좌표에서의 위치(nφ, nθ, nr)별 신호 세기(s(nφ, nθ, nr))를 수학식

Figure 112019043133918-pat00003
에 따라 획득할 수 있다.The signal processing unit is obtained by compressing the number of samples sampled within the azimuth ( φ ) and elevation angle (θ) range, the azimuth ( φ ) and elevation angle (θ) range specified in the radar (N φ , N θ ), and distance compression. which determine the distance information number (n r), and, n φ × n θ × n r of the three-dimensional position in the rectangular coordinates (n φ, n θ, n r) by the signal strength (s (n φ, n θ , n r ))
Figure 112019043133918-pat00003
Can be obtained according to.

상기 안테나 제어부는 상기 회전 구동부가 상기 배열 안테나부를 회전시키는 회전 원점의 위치를 조절할 수 있으면, 상기 최대 위상 중심 거리(al,max)가 수학식

Figure 112019043133918-pat00004
을 만족하도록 제어할 수 있다.When the antenna control unit can adjust the position of the rotation origin at which the rotation driver rotates the array antenna unit, the maximum phase center distance (a l,max ) is Equation
Figure 112019043133918-pat00004
Can be controlled to satisfy.

상기 배열 안테나부는 상기 다수의 안테나 사이의 간격이 상기 중심 주파수 파장(λ)의 1/2를 초과할 수 있다.The array antenna unit may have a spacing between the plurality of antennas exceeding 1/2 of the center frequency wavelength λ.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이다의 3차원 영상 획득 방법은 기지정된 레이다 사양에 따라 다수의 안테나가 배열된 배열 안테나를 상기 다수의 안테나가 배열된 평면 상의 미리 지정된 회전 원점을 중심으로 회전시킬 회전 각도 단위와 상기 회전 각도 단위로 상기 배열 안테나를 회전시킬 최대 회전 횟수를 설정하는 단계; 설정된 회전 각도 단위로 상기 배열 안테나를 다수의 안테나가 배열된 평면에 평행하게 회전시키는 단계; 상기 배열 안테나의 회전 위치별로 송신 방사하고, 상기 다수의 안테나 각각으로 수신되는 수신 신호를 획득하는 단계; 상기 수신 신호에 상기 배열 안테나의 회전 위치에 따른 복소 가중치를 가중하여 합성하는 단계; 및 3차원 위치별로 합성된 신호 세기를 표시하여 3차원 영상을 획득하는 단계; 를 포함한다.A method for obtaining a 3D image of a radar according to another embodiment of the present invention for achieving the above object includes an array antenna in which a plurality of antennas are arranged according to a known radar specification, and a predetermined rotation origin on a plane in which the plurality of antennas are arranged. Setting a rotation angle unit to be rotated around and a maximum number of rotations to rotate the array antenna in the rotation angle unit; Rotating the array antenna parallel to a plane in which a plurality of antennas are arranged in units of a set rotation angle; Transmitting and emitting radiation for each rotational position of the array antenna, and obtaining a received signal received through each of the plurality of antennas; Synthesizing the received signal by weighting a complex weight according to a rotation position of the array antenna; And obtaining a 3D image by displaying the synthesized signal strength for each 3D position. Includes.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 레이다 및 이의 3차원 영상 획득 방법은 레이다의 배열 안테나가 요구되는 각도 해상도를 갖도록 다수의 안테나가 배열된 평면에서 미리 지정된 회전 원점을 중심으로 평면에 평행하게 회전시켜 배열 안테나의 다수의 안테나가 중심 주파수 파장의 1/2 이상 간격으로 배치되어도 각도 모호성을 해소 할 수 있다. 또한 배열 안테나를 회전시키면서 여러 조향 방향에서 수신한 수신 신호를 이용하여 표적에 대한 3차원 영상을 획득할 수 있다.Therefore, in the radar and its 3D image acquisition method according to an embodiment of the present invention, the array antenna of the radar rotates parallel to the plane around a predetermined rotation origin in a plane in which a plurality of antennas are arranged to have a required angular resolution. Even if multiple antennas of the array antenna are arranged at intervals of 1/2 or more of the center frequency wavelength, angular ambiguity can be resolved. In addition, while rotating the array antenna, a 3D image of a target may be obtained using received signals received in various steering directions.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이다의 개략적 구성을 나타낸다.
도 2는 배열 안테나의 위상 중심과 빔 포밍을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 단일 표적에 대해 기존의 레이다와 본 실시예에 따른 레이다에서 획득된 3차원 영상을 비교한 도면이다.
도 4는 다수의 표적에 대해 본 실시예에 따른 레이다에서 획득된 3차원 영상을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이다의 3차원 영상 획득 방법을 나타낸다.
1 shows a schematic configuration of a radar according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a phase center and beamforming of an array antenna.
3 is a diagram illustrating a comparison between a conventional radar and a 3D image acquired from a radar according to the present embodiment for a single target.
4 shows a 3D image obtained by a radar according to the present embodiment for a plurality of targets.
5 shows a method of obtaining a 3D image by a radar according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the implementation of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing a preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and is not limited to the described embodiments. In addition, in order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, terms such as "... unit", "... group", "module", and "block" described in the specification mean units that process at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. And software.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이다의 개략적 구성을 나타내고, 도 2는 배열 안테나의 위상 중심과 빔 포밍을 설명하기 위한 도면이다.1 shows a schematic configuration of a radar according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a phase center and beamforming of an array antenna.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이다는 배열 안테나부(110), 회전 구동부(120), 안테나 제어부(130) 및 신호 처리부(140)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the radar according to the present embodiment includes an array antenna unit 110, a rotation driving unit 120, an antenna control unit 130, and a signal processing unit 140.

배열 안테나부(110)는 동일 평면상에 기지정된 위치에 배열되어 신호를 송신 및 수신하는 기능을 수행하는 다수의 안테나를 포함한다. 본 실시예에서 다수의 안테나는 xy 평면 상에 배치되고, 다수의 안테나 각각은 xy 평면에 수직한 z축 방향으로 조향된 것으로 가정한다. 여기서 배열 안테나부(110)에 구비되는 안테나의 개수 및 배치 형태는 다양하게 조절될 수 있으며, 다수의 안테나에서 서로 인접한 안테나 사이의 간격은 레이다에서 운용하는 신호의 중심 주파수 파장(λ)의 1/2 이상일 수 있다. 그리고 배열 안테나부(110)의 다수의 안테나 각각은 신호를 송신 및 수신하는 송수신 안테나일 수 있으나, 일부는 송신 안테나로 기능하고, 나머지는 수신 안테나로 기능하도록 구성될 수 있다.The array antenna unit 110 includes a plurality of antennas that are arranged at a predetermined position on the same plane to transmit and receive signals. In this embodiment, it is assumed that a plurality of antennas are disposed on the xy plane, and each of the plurality of antennas is steered in the z-axis direction perpendicular to the xy plane. Here, the number and arrangement form of antennas provided in the array antenna unit 110 can be variously adjusted, and the distance between adjacent antennas in the plurality of antennas is 1/ of the center frequency wavelength (λ) of the signal operated by the radar. It can be 2 or more. In addition, each of the plurality of antennas of the array antenna unit 110 may be a transmission/reception antenna for transmitting and receiving signals, but some may function as a transmission antenna, and the others may be configured to function as a reception antenna.

본 실시예에 따른 레이다는 펄스간 가간섭성(coherency between pulses)이 유지되는 단일 채널 레이다 또는 다중 채널 레이다로 이용될 수 있으며, 다중 채널 레이다로 이용되는 경우 채널간 위상차가 없거나 위상차를 측정하여 보정할 수 있다.The radar according to the present embodiment can be used as a single channel radar or a multi-channel radar in which coherency between pulses is maintained, and when used as a multi-channel radar, there is no phase difference between channels or the phase difference is measured and corrected. can do.

레이다가 다중 채널을 이용하고 배열 안테나부(110)에서 송신을 수행하는 안테나와 수신을 수행하는 안테나가 동일하면, 각각의 채널(cl)에 대응하는 안테나의 위상 중심(phase center)이 각 채널의 위상 중심이 된다. 일예로 다수의 안테나 각각이 송신 및 수신을 수행하는 개별 채널(cl)로 동작하는 경우, 다수의 안테나 각각의 위상 중심이 대응하는 각 채널(cl)의 위상 중심(Pl)이 된다. 그러나 송신 안테나와 수신 안테나가 서로 상이한 경우, 송신 안테나와 수신 안테나의 사이의 중점이 해당 채널(cl)의 위상 중심(Pl)이 된다.If the radar uses multiple channels and the antenna performing transmission and the antenna performing reception are the same in the array antenna unit 110, the phase center of the antenna corresponding to each channel (c l ) is each channel Becomes the phase center of As an example, when each of the plurality of antennas operates as an individual channel (c l ) for transmitting and receiving, the phase center of each of the plurality of antennas becomes the phase center (P 1 ) of each corresponding channel (c l ). However, when the transmit antenna and the receive antenna are different from each other, the midpoint between the transmit antenna and the receive antenna becomes the phase center (P l ) of the corresponding channel (c l ).

한편 본 실시예에서는 다수의 안테나가 배치된 배열 안테나부(110)를 xy 평면 상에서 회전시키면서 신호를 송신하고, 표적에 반사된 신호를 수신하여 표적에 대한 3차원 영상을 획득한다. 이때, 배열 안테나부(110)의 회전 중심을 회전 원점(O)이라고 한다. 그리고 도 2에 도시된 바와 같이, 회전 원점(O)의 좌표를 (0, 0)이라 할 때, L개의 채널(c0 ~ cL-1) 중 l번째 채널(cl)의 위상 중심(Pl)의 좌표(dx, dy)는 회전 원점(O)으로부터 위상 중심(Pl)까지의 거리(al) 및 x축과 l번째 채널(cl)의 위상 중심(Pl)이 이루는 각도(αl)의 구좌표계 형식으로 표현될 수 있다. Meanwhile, in the present embodiment, a signal is transmitted while rotating the array antenna unit 110 on which a plurality of antennas are disposed on an xy plane, and a 3D image of the target is obtained by receiving a signal reflected from the target. At this time, the rotation center of the array antenna unit 110 is referred to as a rotation origin (O). And as shown in FIG. 2, when the coordinates of the rotation origin (O) are (0, 0), the phase center of the l-th channel (c l ) among L channels (c 0 ~ c L-1 ) ( coordinates (d x, d y) is the phase center (P l) of the phase center (P l) the distance (a l) and the x-axis and the l-th channel (c l) to from the rotation reference point (O) of P l) This can be expressed in the form of the spherical coordinate system of the angle α l .

여기서는 l번째 채널(cl)의 회전 원점(O)으로부터 위상 중심(Pl)까지의 거리를 l채널(cl)의 위상 중심 거리(al)라 하고, l번째 채널(cl)의 위상 중심(Pl)이 x축과 이루는 각도를 l채널(cl)의 위상 중심 각도(αl)라 한다.Here, l of the second channel (c l) rotating the phase center (P l) l channel the distance to from the origin (O) (c l) phase-to-center distance (a l) la and, l-th channel (c l) of the The angle formed by the phase center (P l ) with the x-axis is referred to as the phase center angle (α l ) of the l channel (c l ).

회전 구동부(120)는 배열 안테나부(110)에 결합되어 안테나 제어부(130)의 제어에 따라 배열 안테나부(110)를 지정된 회전 원점(O)을 중심으로 xy 평면 상에서 회전시킨다. 즉 회전 구동부(120)는 배열 안테나부(110)를 z축을 기준으로 회전시킨다.The rotation driving unit 120 is coupled to the array antenna unit 110 and rotates the array antenna unit 110 on the xy plane around a designated rotation origin O under the control of the antenna control unit 130. That is, the rotation driving unit 120 rotates the array antenna unit 110 about the z-axis.

본 실시예에서 회전 구동부(120)가 배열 안테나부(110)를 회전시키는 것은 다수의 안테나 사이의 간격이 중심 주파수 파장(λ)의 1/2 이상이어도 각도 모호성을 배제하고 요구되는 이득으로 표적에 대한 3차원 영상을 획득할 수 있도록 하기 위함이다.In this embodiment, when the rotation driving unit 120 rotates the array antenna unit 110, even if the distance between the plurality of antennas is equal to or greater than 1/2 of the center frequency wavelength λ, angular ambiguity is excluded and the required gain is applied to the target. It is to be able to acquire a 3D image of the image.

안테나 제어부(130)는 표적(p)에 대한 3차원 영상을 획득하기 위해, 배열 안테나부(110)가 레이다의 요구 사항에 따라 신호 처리부(140)에 의해 지정되는 회전 각도 단위(Δα)로 지정된 횟수(M)만큼 회전되도록 회전 구동부(120)를 제어한다.In order to obtain a three-dimensional image of the target p, the antenna control unit 130 is assigned a rotation angle unit (Δα) designated by the signal processing unit 140 according to the requirements of the radar. The rotation driving unit 120 is controlled to rotate the number of times (M).

안테나 제어부(130)는 레이다에 요구되는 사양에 따라 배열 안테나부(110)를 회전시키는 기준점인 회전 원점(O)의 위치와 배열 안테나부(110)를 회전시킬 회전 각도 단위(Δα) 및 최대 회전 횟수(M)를 결정한다. 그리고 결정된 회전 원점(O)과 회전 각도 단위(Δα) 및 최대 회전 횟수(M)를 안테나 제어부(130)로 전달하여, 배열 안테나부(110)가 회전 원점(O)을 중심으로 회전 각도 단위(Δα)로 M회까지 회전하도록 회전 구동부(120)를 제어 한다.The antenna control unit 130 includes a position of a rotation origin (O), which is a reference point for rotating the array antenna unit 110, and a rotation angle unit (Δα) for rotating the array antenna unit 110, and maximum rotation according to specifications required for the radar. Determine the number of times (M). And by transmitting the determined rotation origin (O), rotation angle unit (Δα) and maximum number of rotations (M) to the antenna control unit 130, the array antenna unit 110 rotates around the rotation origin (O). The rotation driving unit 120 is controlled to rotate up to M times by Δα).

본 실시예에서 안테나 제어부(130)는 레이다에 요구되는 각도 해상도에 따라 우선 회전 원점(O(0, 0))의 위치를 결정한다. 즉 배열 안테나부(110)와 회전 구동부(120)의 결합 위치를 결정한다. 중심 주파수의 파장(λ)과 함께 요구되는 3dB 빔폭(θ3dB)이 미리 결정된 경우 안테나 제어부(130)는 각도 해상도(δθ3dB)에 기반하여, 회전 원점(O)으로부터 다수의 채널(c0 ~ cL-1) 중 가장 먼 거리의 채널(cl)의 위상 중심 거리(al,max)가 수학식 1을 만족하도록 회전 원점(O(0, 0))의 위치를 결정한다.In this embodiment, the antenna control unit 130 first determines the position of the rotation origin (O(0, 0)) according to the angular resolution required by the radar. That is, the coupling position of the array antenna unit 110 and the rotation driving unit 120 is determined. When the required 3dB beam width (θ 3dB ) along with the wavelength (λ) of the center frequency is determined in advance, the antenna control unit 130 is based on the angular resolution (δθ 3dB ), and a plurality of channels (c 0 ~) from the rotation origin (O) The position of the rotation origin (O(0, 0)) is determined so that the phase center distance (a l,max ) of the channel (c l ) at the farthest distance among c L-1 ) satisfies Equation 1.

Figure 112019043133918-pat00005
Figure 112019043133918-pat00005

디지털 빔 포빙 기법에서 배열 안테나부(110)의 다수의 안테나가 넓게 분포할 수록 빔 폭이 좁아져 더 작은 각도 해상도를 가질 수 있다. 최대 위상 중심 거리(al,max)를 갖는 채널에 대한 각도 해상도를 획득하기 위해, 회전 각도 단위(Δα)를 0에 무한 수렴하는 값으로 설정하고, 배열 안테나부(110)가 360도 회전하는 것으로 가정하면 최대 회전 횟수(M)를 M = 2π/Δα로 계산된다. 이에 신호 처리부(140)에서 획득되는 3차원 영상의 조향 방향에 다른 신호 세기에 대한 크기 분포 함수(s(φ, θ))는 1종 베셀 함수(Bassel function)(J0(·))에 따라 수학식 2로 획득된다.In the digital beam fobbing technique, the wider the multiple antennas of the array antenna unit 110 are distributed, the narrower the beam width, so that a smaller angular resolution can be obtained. In order to obtain the angular resolution for the channel having the maximum phase center distance (a l,max ), the rotation angle unit (Δα) is set to a value that infinitely converges to 0, and the array antenna unit 110 rotates 360 degrees. Assuming that, the maximum number of rotations (M) is calculated as M = 2π/Δα. Accordingly, the magnitude distribution function (s(φ, θ)) for the signal intensity different from the steering direction of the 3D image acquired by the signal processing unit 140 is determined according to a type 1 Bessel function (J 0 (·)). It is obtained by Equation 2.

Figure 112019043133918-pat00006
Figure 112019043133918-pat00006

그리고 1종 베셀 함수(J0(·))에서 J0(1.1226)

Figure 112019043133918-pat00007
0.5로 알려져 있으므로, 최대 위상 중심 거리(al,max)는 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.And in the first kind Bessel function (J 0 (·)), J 0 (1.1226)
Figure 112019043133918-pat00007
Since it is known as 0.5, the maximum phase center distance a l,max can be determined according to Equation 1.

다만, 회전 원점(O(0,0))의 위치는 배열 안테나부(110)와 회전 구동부(120)의 결합 위치에 따라 결정되며, 일반적으로 배열 안테나부(110)와 회전 구동부(120)의 결합 위치는 변경이 용이하지 않다. 즉 회전 원점(O(0,0))의 위치는 임의로 변경될 수 없는 경우가 대부분이다. 따라서 회전 원점(O(0,0))의 위치는 배열 안테나부(110)와 회전 구동부(120)의 결합 위치에 따라 미리 결정되고, 최대 위상 중심 거리(al,max)는 회전 원점(O(0,0))을 기준으로 가장 먼 거리의 채널(cl)의 위상 중심 거리를 측정하여 획득될 수 있다.However, the position of the rotation origin (O(0,0)) is determined according to the coupling position of the array antenna unit 110 and the rotation driving unit 120, and generally, the position of the array antenna unit 110 and the rotation driving unit 120 The bonding position is not easy to change. That is, in most cases, the position of the rotation origin (O(0,0)) cannot be arbitrarily changed. Therefore, the position of the rotation origin (O(0,0)) is determined in advance according to the coupling position of the array antenna unit 110 and the rotation driver 120, and the maximum phase center distance (a l,max ) is the rotation origin (O It can be obtained by measuring the phase center distance of the channel c l of the farthest distance based on (0,0)).

안테나 제어부(130)는 최대 위상 중심 거리(al,max)가 획득되면, 획득된 최대 위상 중심 거리(al,max)와 3dB 빔폭(θ3dB)을 이용하여 회전 각도 단위(Δα)를 결정한다.When the maximum phase center distance (a l,max ) is obtained, the antenna control unit 130 determines the rotation angle unit (Δα) using the obtained maximum phase center distance (a l,max ) and 3dB beam width (θ 3dB ). do.

구형 좌표계에서 방위각(φp) 및 고도각(θp)에 위치하는 표적(p)은 l번째 채널(cl)이 회전 각도(α)만큼 회전하였을 때, 수학식 3에 따른 위상을 갖는다.The target p located at the azimuth angle φ p and the elevation angle θ p in the spherical coordinate system has a phase according to Equation 3 when the l-th channel c 1 rotates by the rotation angle α.

Figure 112019043133918-pat00008
Figure 112019043133918-pat00008

수학식 3에서 회전 각도(α)에 대한 신호의 순간 주파수(instantaneous frequency)는 수학식 4에 따라 계산될 수 있다.In Equation 3, the instantaneous frequency of the signal with respect to the rotation angle α may be calculated according to Equation 4.

Figure 112019043133918-pat00009
Figure 112019043133918-pat00009

수학식 4은 수학식 5를 만족해야 하며, 이는 배열 안테나부(110)의 회전 각도(α)에 대한 신호의 대역폭이 된다.Equation 4 must satisfy Equation 5, which becomes the bandwidth of the signal with respect to the rotation angle α of the array antenna unit 110.

Figure 112019043133918-pat00010
Figure 112019043133918-pat00010

나이퀴스트-섀넌 샘플링 이론(Nyquist-Shannon sampling theorem)에 따라 신호를 완전히 복원할 수 있는 회전 각도(α)의 샘플링 간격인 회전 각도 단위(Δα)는 수학식 6을 만족해야 한다.According to the Nyquist-Shannon sampling theorem, the rotation angle unit (Δα), which is the sampling interval of the rotation angle α capable of completely recovering a signal, must satisfy Equation 6.

Figure 112019043133918-pat00011
Figure 112019043133918-pat00011

수학식 5과 수학식 6를 결합하면, 회전 각도 단위(Δα)는 수학식 7을 만족하도록 결정되어야 함을 알 수 있다.Combining Equation 5 and Equation 6, it can be seen that the rotation angle unit Δα should be determined to satisfy Equation 7.

Figure 112019043133918-pat00012
Figure 112019043133918-pat00012

즉 안테나 제어부(130)는 수학식 7을 만족하도록 회전 각도 단위(Δα)를 결정할 수 있다.That is, the antenna control unit 130 may determine the rotation angle unit Δα to satisfy Equation 7.

한편, 안테나 제어부(130)는 수학식 7에 따라 회전 각도 단위(Δα)가 결정되면, 회전 각도 단위(Δα)와 배열 안테나부(110)의 다수의 채널(c1 ~ cL-1)의 배치 구조에 따라 최대 회전 횟수(M)를 결정한다.On the other hand, when the rotation angle unit (Δα) is determined according to Equation 7, the antenna control unit 130 includes a rotation angle unit (Δα) and a plurality of channels (c 1 to c L-1 ) of the array antenna unit 110. The maximum number of rotations (M) is determined according to the arrangement structure.

안테나 제어부(130)는 배열 안테나부(110)의 다수의 채널(c1 ~ cL-1)의 위상 중심(Pl)이 회전 원점(O)을 중심으로 n차 회전 대칭으로 배치된 경우, 수학식 8에 따라 최대 회전 횟수(M)를 결정한다.When the phase center P l of the plurality of channels c 1 to c L-1 of the array antenna unit 110 is disposed in an n-th rotational symmetry around the rotation origin O, the antenna control unit 130 The maximum number of rotations (M) is determined according to Equation 8.

Figure 112019043133918-pat00013
Figure 112019043133918-pat00013

다수의 채널(c1 ~ cL-1)이 회전 각도 단위(Δα)로 n차 회전하여, 회전하기 이전과 동일한 배치 구조를 갖게 되는 경우, 배열 안테나부(110)를 360도 회전시킬 필요가 없다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 채널(c1 ~ cL-1)이 4차(n = 4) 회전 대칭인 경우, 배열 안테나부(110)는 0 ~ 90°범위에서만 회전하면 된다. 이는 나머지 90°~ 360°회전 범위에서는 동일한 신호가 획득되기 때문이다. 따라서 회전 각도 단위(Δα)가 일예로 10°인 경우, 배열 안테나부(110)는 수학식 10에 따라 최대 회전 횟수(M)를 9로 결정할 수 있다.When a plurality of channels (c 1 ~ c L-1 ) rotate n times in rotation angle unit (Δα) and have the same arrangement structure as before rotation, it is necessary to rotate the array antenna unit 110 by 360 degrees. none. For example, as shown in FIG. 2, when a plurality of channels (c 1 to c L-1 ) are 4th order (n = 4) rotationally symmetric, the array antenna unit 110 is only in the range of 0 to 90° Just rotate. This is because the same signal is obtained in the remaining 90° to 360° rotation range. Therefore, when the rotation angle unit Δα is 10°, for example, the array antenna unit 110 may determine the maximum number of rotations M as 9 according to Equation 10.

신호 처리부(140)는 기지정된 파형의 송신 신호를 생성하여 배열 안테나부(110)의 다수의 안테나로 전달하여, 다수의 안테나가 송신 신호를 방사하도록 한다. 여기서 송신 신호는 일예로 펄스파일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 그리고 신호 처리부(140)는 표적(p)에서 반사되어 다수의 안테나로 수신된 수신 신호를 인가받아 분석하여 표적에 대한 3차원 영상을 생성한다.The signal processing unit 140 generates a transmission signal of a predetermined waveform and transmits it to a plurality of antennas of the array antenna unit 110 so that the plurality of antennas radiate the transmission signal. Here, the transmission signal may be a pulse file as an example, but is not limited thereto. In addition, the signal processing unit 140 receives and analyzes the received signals reflected from the target p and received by a plurality of antennas, and generates a 3D image of the target.

신호 처리부(140)는 채널의 개수가 L개일 때, L개의 채널(c1 ~ cL-1) 각각의 신호를 거리 압축하여 각 채널로부터 거리에 따라 반사되어 수신된 수신 신호의 에너지 분포를 나타내는 L개의 거리 프로파일(range profile)을 획득할 수 있다.When the number of channels is L, the signal processing unit 140 compresses the signals of each of the L channels (c 1 to c L-1 ) by distance and reflects the received signal according to the distance from each channel to indicate the energy distribution of the received signal. L range profiles can be obtained.

그리고 L개의 거리 프로파일 각각에 대응하는 각 채널(cl)의 배치 위치(dx, dy)에 따라 수학식 9에 따른 복소 가중치(wc)를 곱하고 합하여, 신호가 원점(O(0, 0))을 중심으로 방위각(φ) 및 고도각(θ)으로 지향되도록 조향시킬 수 있다.And the complex weight (wc) according to Equation 9 is multiplied and summed according to the arrangement position (d x , d y ) of each channel (c l ) corresponding to each of the L distance profiles, so that the signal is the origin (O(0, 0) )) can be steered to be directed to the azimuth (φ) and elevation angle (θ).

Figure 112019043133918-pat00014
Figure 112019043133918-pat00014

여기서 λ는 신호의 레이다가 운용하는 신호의 중심 주파수 파장을 나타낸다.Here, λ represents the wavelength of the center frequency of the signal operated by the radar of the signal.

즉 수신 신호를 거리 압축하여 획득된 다수의 거리 프로파일에 원점(O(0, 0))을 기준으로 다수의 채널 각각의 x축 방향 거리(dx) 및 y축 방향 거리(dy)와 조향 방향(φ, θ)에 따른 복소 가중치(wc)를 곱한 후 모두 더하여 합성함으로써, 조향 방향(φ, θ)으로 빔 포밍이 되도록 한다.That is, the distance in the x-axis direction (d x ) and the y-axis direction (d y ) and steering of a number of channels based on the origin (O(0, 0)) in multiple distance profiles obtained by distance compression of the received signal. By multiplying the complex weights wc according to the directions (φ, θ) and then adding them all, the beamforming is performed in the steering directions (φ, θ).

빔 포밍에 의해 조향된 방향(φ, θ)에 표적이 존재하면, 합성된 신호는 세기가 상대적으로 커지는 반면, 조향된 방향(φ, θ)에 표적이 존재하지 않으면, 합성된 신호의 세기가 상대적으로 작아지게 된다.When there is a target in the direction (φ, θ) steered by beamforming, the intensity of the synthesized signal increases relatively, whereas when there is no target in the steered direction (φ, θ), the intensity of the synthesized signal is It becomes relatively small.

다만 본 실시예에 따른 레이다에서는 배열 안테나부(110)가 회전 구동부(120)에 의해 z축을 기준으로 xy 평면 상에서 회전할 수 있다. 특히 회전 각도 단위(Δα)로 지정된 횟수(M)만큼 배열 안테나부(110)를 회전시키면서 빔 포밍을 수행하게 된다. 따라서 신호 처리부(140)는 배열 안테나부(110)가 회전하는 모든 회전 각도에서 빔 포밍이 되도록 수학식 9의 복소 가중치(wc)를 수학식 10과 같이 구형 좌표계 형식으로 변형하여 획득할 수 있다.However, in the radar according to the present embodiment, the array antenna unit 110 may rotate on the xy plane with respect to the z-axis by the rotation driving unit 120. In particular, beamforming is performed while rotating the array antenna unit 110 the number of times M designated by the rotation angle unit (Δα). Accordingly, the signal processing unit 140 may obtain the complex weight wc of Equation 9 by transforming it into a spherical coordinate system format as shown in Equation 10 so that beamforming is performed at all rotation angles at which the array antenna unit 110 rotates.

Figure 112019043133918-pat00015
Figure 112019043133918-pat00015

(여기서 m은 회전 각도 단위(Δα)로 회전하는 배열 안테나부(110)의 회전 횟수를 나타낸다.)(Here, m represents the number of rotations of the array antenna unit 110 that rotates in units of rotation angle (Δα).)

신호 처리부(140)는 배열 안테나부(110)가 M회 회전하는 동안 L개의 채널(c1 ~ cL-1) 각각을 통해 수신된 신호들을 거리 압축(range compression)하여 Nr개의 거리 정보 위치(range bin)별로 크기 및 위상을 갖는 복소수 형태의 디지털 데이터를 거리 프로파일(range profile)로 획득한다. 즉 신호 처리부(140)는 M × L 개의 거리 프로파일(s(m, l, nr))을 획득한다.The signal processing unit 140 range-compresses signals received through each of the L channels (c 1 to c L-1 ) while the array antenna unit 110 rotates M times to position N r distance information. Digital data in the form of a complex number having a magnitude and a phase for each (range bin) is obtained as a range profile. That is, the signal processing unit 140 acquires M × L distance profiles s(m, l, n r ).

그리고 신호 처리부(140)는 획득된 M × L 개의 거리 프로파일(s(m, l, nr)) 각각에 대해 수학식 10의 복소 가중치(wc)를 곱하고, 합하여 디지털 빔 포밍을 수행한다.In addition, the signal processing unit 140 multiplies and sums the complex weight wc of Equation 10 for each of the obtained M × L distance profiles s(m, l, n r )) to perform digital beamforming.

레이다는 기지정된 범위의 방위각(φ) 및 고도각(θ)의 표적을 탐색할 수 있어야 하며, 여기서는 일예로 레이다의 방위각(φ)은 0 ~ 360°범위로 조절되고, 고도각(θ)은 시야각(Field of View)(θFOV) 범위(-θFOV/2 ~ θFOV/2)에서 조절되도록 요구되는 것으로 가정한다. 지정된 범위에서 샘플링되는 방위각(φ)과 고도각(θ)의 개수가 각각 N φ 및 Nθ 이면, 레이다는 거리 정보 위치의 개수와 함께 N φ × Nθ × Nr 개의 3차원 구형 좌표에서의 위치(nφ, nθ, nr)별 신호 세기를 수학식 11에 따라 획득할 수 있다.The radar must be able to search for targets in a predetermined range of azimuth ( φ ) and elevation angle (θ). Here, as an example, the radar's azimuth ( φ ) is adjusted in the range of 0 to 360°, and the elevation angle (θ) is It assumed to be required to be adjusted in the field of view (Field of View) (θ FOV ) range (-θ FOV / 2 ~ θ FOV / 2). If the number of azimuth angles ( φ ) and elevation angles (θ) sampled in the specified range is N φ and N θ , respectively, the radar is measured at N φ × N θ × N r 3D spherical coordinates with the number of distance information positions. The signal strength for each position (n φ , n θ , n r ) may be obtained according to Equation 11.

Figure 112019043133918-pat00016
Figure 112019043133918-pat00016

상기한 바와 같이, 빔 포밍에 의해 조향된 방향(φ, θ)에 표적이 존재하면, 합성된 신호는 상대적으로 큰 세기로 나타나는 반면, 조향된 방향(φ, θ)에 표적이 존재하지 않으면, 합성된 신호의 세기가 상대적으로 작게 나타나므로, 신호 처리부(140)는 수학식 11에 따라 획득된 위치(nφ, nθ, nr)별 신호 세기를 시각적으로 표시함으로써 표적에 대한 3차원 영상을 획득할 수 있다.As described above, when a target exists in the direction (φ, θ) steered by beamforming, the synthesized signal appears with a relatively high intensity, whereas when there is no target in the steered direction (φ, θ), Since the intensity of the synthesized signal is relatively small, the signal processing unit 140 visually displays the signal intensity for each position (n φ , n θ , n r ) obtained according to Equation 11 to provide a 3D image of the target. Can be obtained.

도 3은 단일 표적에 대해 기존의 레이다와 본 실시예에 따른 레이다에서 획득된 3차원 영상을 비교한 도면이고, 도 4는 다수의 표적에 대해 본 실시예에 따른 레이다에서 획득된 3차원 영상을 나타낸다.3 is a diagram showing a comparison of a 3D image obtained from a radar according to the present exemplary embodiment with a conventional radar for a single target, and FIG. 4 is a diagram illustrating a 3D image obtained from a radar according to the exemplary embodiment for a plurality of targets. Show.

도 3에서 (a)를 참조하면, 배열 안테나부(110)를 회전하지 않는 기존의 레이다에서 안테나 사이의 간격이 중심 주파수 파장의 1/2(λ/2) 이상의 간격으로 배치되어 단일 표적이 다수의 서로 다른 위치에서 검출되는 각도 모호성이 나타났다. 그에 반해 (b)에 도시된 본 실시예에 따른 레이다는 배열 안테나부(110)를 회전시키면서 디지털 빔 포밍을 수행하여 각도 모호성을 제거함으로써, 단일 표적의 3차원 위치를 정확하게 검출할 수 있다.Referring to (a) in FIG. 3, in a conventional radar that does not rotate the array antenna unit 110, the distance between the antennas is arranged at an interval of 1/2 (λ/2) or more of the center frequency wavelength, so that multiple single targets The angle ambiguity detected at different locations of On the other hand, the radar according to the present embodiment shown in (b) performs digital beamforming while rotating the array antenna unit 110 to remove angular ambiguity, so that the three-dimensional position of a single target can be accurately detected.

도 4는 레이다가 5개의 표적에 대해 3차원 위치를 검출한 경우의 3차원 영상을 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 레이다는 단일 표적뿐만 아니라 다수의 표적에 대한 3차원 위치를 정확하게 검출하여 3차원 영상을 생성할 수 있다.4 shows a 3D image when the radar detects 3D positions for 5 targets. As shown in FIG. 4, the radar according to the present exemplary embodiment can generate a 3D image by accurately detecting 3D positions for a plurality of targets as well as a single target.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이다의 3차원 영상 획득 방법을 나타낸다.5 shows a method of obtaining a 3D image by a radar according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4를 참조하여, 도 5의 레이다의 3차원 영상 획득 방법을 설명하면, 우선 레이다의 사양을 확인한다(S11). 여기서 레이다 사양에는 중심 주파수의 파장(λ)과 방위각(φ) 및 고도각(θ) 범위, 방위각(φ) 및 고도각(θ) 범위 내에서 샘플링되는 샘플 개수(N φ , Nθ), 거리 압축에 의해 획득되는 거리 정보 개수(Nr)를 확인한다. 또한 빔폭(θ3dB) 및 각도 해상도(δθ3dB)가 포함될 수 있다. 특히 다수의 안테나를 포함하는 배열 안테나부(110)에서 다수의 채널(c1 ~ cL-1)의 배치 구조를 확인한다.Referring to FIGS. 1 to 4, a method of acquiring a 3D image of the radar of FIG. 5 will be described. First, the specifications of the radar are checked (S11). Here, radar specifications include the number of samples sampled within the range of the wavelength (λ) and azimuth ( φ ) and elevation angle (θ) of the center frequency, azimuth ( φ ) and elevation angle (θ) (N φ , N θ ), and distance. Check the number of distance information (N r ) obtained by compression. In addition, the beam width (θ 3dB ) and the angular resolution (δθ 3dB ) may be included. In particular, the arrangement structure of the plurality of channels c 1 to c L-1 in the array antenna unit 110 including a plurality of antennas is checked.

레이다의 사양이 확인되면, 배열 안테나부(110)를 회전시키는 회전 각도 단위(Δα)를 설정한다. 회전 각도 단위(Δα)는 회전되는 배열 안테나부(110)의 회전 원점(O(0, 0))과 회전 원점에서 가장 먼 거리의 채널(cl)의 위상 중심 거리인 최대 위상 중심 거리(al,max)와 3dB 빔폭(θ3dB)을 이용하여 수학식 7을 만족하도록 설정된다.When the specifications of the radar are confirmed, a rotation angle unit (Δα) for rotating the array antenna unit 110 is set. The rotation angle unit (Δα) is the maximum phase center distance (a), which is the phase center distance between the rotation origin (O(0, 0)) of the rotating array antenna unit 110 and the channel (c l ) farthest from the rotation origin. It is set to satisfy Equation 7 using l,max ) and a 3dB beamwidth (θ 3dB ).

이때, 만일 배열 안테나부(110)의 회전 원점(O(0, 0))의 위치가 조절가능하다면, 회전 원점(O(0, 0))은 최대 위상 중심 거리(al,max)가 수학식 1을 만족할 수 있도록 미리 설정될 수 있다.At this time, if the position of the rotation origin (O(0, 0)) of the array antenna unit 110 is adjustable, the rotation origin (O(0, 0)) is the maximum phase center distance (a l,max ). It can be set in advance to satisfy Equation 1.

한편, 회전 각도 단위(Δα)가 설정되면, 다수의 채널(c1 ~ cL-1)의 배치 구조에 따라 최대 회전 횟수(M)를 수학식 8에 따라 결정한다.On the other hand, when the rotation angle unit Δα is set, the maximum number of rotations M is determined according to Equation 8 according to the arrangement structure of the plurality of channels c 1 to c L-1 .

그리고 레이다는 배열 안테나부(110)의 초기 위치로부터 회전 각도 단위(Δα)로 M회까지 회전하면서 송신 신호를 송신하고, 반사 신호를 수신하여 신호의 세기와 위상을 측정한다. 레이다는 우선 기지정된 초기 위치에서 송신 신호를 송신하고, 반사된 수신 신호를 수신하여 거리 프로파일을 획득한다(S14). 이때 각 회전 각도에서 다수개(L)의 채널(c1 ~ cL-1) 각각을 통해 수신된 수신 신호들을 거리 압축하여 Nr개의 거리 정보 위치(range bin)별로 크기 및 위상을 갖는 복소수 형태의 디지털 데이터를 거리 프로파일로 획득할 수 있다. 즉 배열 안테나부(110)의 회전 위치별로 M × L개의 거리 프로파일(s(m, l, nr))을 획득한다.In addition, the radar transmits a transmission signal while rotating up to M times in a rotation angle unit (Δα) from the initial position of the array antenna unit 110, and receives a reflected signal to measure the intensity and phase of the signal. The radar first transmits a transmission signal at a predetermined initial position and receives the reflected reception signal to obtain a distance profile (S14). At this time, the received signals received through each of the plurality of (L) channels (c 1 ~ c L-1 ) at each rotation angle are distance-compressed to form a complex number having a size and phase for each of N r distance information range bins. Digital data of can be obtained as a distance profile. That is, M × L distance profiles s(m, l, n r )) for each rotational position of the array antenna unit 110 are obtained.

그리고 현재 배열 안테나부(110)의 회전 횟수(m)가 설정된 최대 회전 횟수(M) 이상인지 판별한다(S15). 만일 현재 회전 횟수(m)가 최대 회전 횟수(M) 미만이면, 배열 안테나부(110)를 회전 각도 단위(Δα)만큼 회전시킨다(S16). 그리고 배열 안테나가 회전된 위치에서 다시 송신 신호를 송신하고, 반사 신호를 수신하여 거리 프로파일을 획득한다(S14). 그러나 현재 회전 횟수(m)가 최대 회전 횟수(M) 이상이면, 획득된 M × L 개의 거리 프로파일(s(m, l, nr))에 대해 수학식 11과 같이 수학식 10의 복소 가중치(wc)를 곱하고, 합하여 디지털 빔 포밍을 수행하여 3차원 위치별 신호 세기를 나타내는 복소수 형태의 데이터를 획득한다(S17). 그리고 수학식 11에 따라 획득된 위치(nφ, nθ, nr)별 신호 세기를 시각적으로 표시함으로써 표적에 대한 3차원 영상을 획득한다(S18)And it is determined whether the number of rotations (m) of the current array antenna unit 110 is equal to or greater than the set maximum number of rotations (M) (S15). If the current number of rotations (m) is less than the maximum number of rotations (M), the array antenna unit 110 is rotated by a rotation angle unit (Δα) (S16). Then, a transmission signal is transmitted again at a position in which the array antenna is rotated, and a reflected signal is received to obtain a distance profile (S14). However, if the current number of rotations (m) is greater than or equal to the maximum number of rotations (M), the complex weight of Equation 10 as shown in Equation 11 for the obtained M × L distance profiles (s(m, l, n r )) ( By multiplying and adding wc), digital beamforming is performed to obtain complex data representing the signal strength for each 3D position (S17). In addition, a 3D image of the target is obtained by visually displaying the signal strength for each position (n φ , n θ , n r ) obtained according to Equation 11 (S18).

레이다의 배열 안테나가 요구되는 각도 해상도를 갖도록 위상 중심을 축으로 회전시켜 배열 안테나의 다수의 안테나가 중심 주파수 파장의 1/2 이상 간격으로 배치되어도 각도 모호성을 해소 할 수 있다. 또한 배열 안테나를 회전시키면서 여러 조향 방향에서 수신한 수신 신호를 이용하여 표적에 대한 3차원 영상을 획득할 수 있다.The angular ambiguity can be eliminated even if a plurality of antennas of the array antenna are arranged at intervals of 1/2 or more of the center frequency wavelength by rotating the center of the phase so that the radar array antenna has the required angular resolution. In addition, while rotating the array antenna, a 3D image of a target may be obtained using received signals received in various steering directions.

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.The method according to the present invention may be implemented as a computer program stored in a medium for execution on a computer. Here, the computer-readable medium may be any available medium that can be accessed by a computer, and may also include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, and ROM (Read Dedicated memory), RAM (random access memory), CD (compact disk)-ROM, DVD (digital video disk)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, and the like.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will appreciate that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

110: 배열 안테나부 120: 회전 구동부
130: 안테나 제어부 140: 신호 처리부
110: array antenna unit 120: rotation driving unit
130: antenna control unit 140: signal processing unit

Claims (10)

다수의 안테나가 배열된 배열 안테나부;
상기 다수의 안테나가 배열된 평면에서 미리 지정된 회전 원점을 중심으로 상기 배열 안테나부를 평면에 평행하게 기설정된 회전 각도 단위로 회전시키는 회전 구동부;
기지정된 레이다 사양에 따라 상기 회전 각도 단위와 상기 회전 각도 단위로 상기 배열 안테나부를 회전시킬 최대 회전 횟수를 설정하고, 설정된 상기 회전 각도 단위와 상기 최대 회전 횟수에 따라 상기 회전 구동부를 제어하는 안테나 제어부; 및
상기 배열 안테나부의 회전 위치별로 상기 배열 안테나부를 통해 기지정된 파형의 송신 신호를 방사하고, 상기 다수의 안테나 각각으로 수신되는 수신 신호에 상기 배열 안테나부의 회전 위치에 따른 복소 가중치를 가중하여 합성하고, 3차원 위치별로 합성된 신호 세기를 표시하여 3차원 영상을 획득하는 신호 처리부; 를 포함하되,
상기 안테나 제어부는
상기 레이다의 중심 주파수의 파장(λ)과 요구되는 빔폭(θ3dB) 및 각도 해상도(δθ3dB)와 상기 다수의 안테나의 배열에 따른 다수의 채널의 배치 구조를 확인하고,
상기 회전 원점과 회전 원점에서 가장 먼 거리의 채널의 위상 중심 거리인 최대 위상 중심 거리(al,max)와 빔폭(θ3dB)에 따라 상기 회전 각도 단위(Δα)를 수학식
Figure 112020085751541-pat00029

을 만족하도록 설정하는 레이다.
An array antenna unit in which a plurality of antennas are arranged;
A rotation driving unit configured to rotate the array antenna unit in a predetermined rotation angle unit parallel to a plane around a predetermined rotation origin in a plane in which the plurality of antennas are arranged;
An antenna control unit configured to set a maximum number of rotations to rotate the array antenna unit in the rotation angle unit and the rotation angle unit according to a predetermined radar specification, and control the rotation driving unit according to the set rotation angle unit and the maximum number of rotations; And
A transmission signal of a predetermined waveform is radiated through the array antenna unit for each rotation position of the array antenna unit, and a complex weight according to the rotation position of the array antenna unit is weighted and synthesized to the received signal received by each of the plurality of antennas, and 3 A signal processor configured to obtain a 3D image by displaying the synthesized signal strength for each dimensional position; Including,
The antenna control unit
Confirm the arrangement structure of the plurality of channels according to the wavelength (λ) of the center frequency of the radar and the required beam width (θ 3dB ) and angular resolution (δθ 3dB ) and the array of the plurality of antennas,
The rotation angle unit (Δα) is calculated according to the maximum phase center distance (a l,max ) and the beam width (θ 3dB ), which are the phase center distances of the channel at the farthest distance from the rotation origin and the rotation origin.
Figure 112020085751541-pat00029

Radar to set to satisfy.
삭제delete 제1 항에 있어서, 상기 안테나 제어부는
상기 배열 안테나부의 다수의 채널의 위상 중심이 상기 회전 원점을 중심으로 n차 회전 대칭으로 배치된 경우, 상기 최대 회전 횟수(M)를 수학식
Figure 112020085751541-pat00018

를 만족하도록 설정하는 레이다.
The method of claim 1, wherein the antenna control unit
When the phase centers of the plurality of channels of the array antenna unit are arranged in n-th rotational symmetry around the rotation origin, the maximum number of rotations (M)
Figure 112020085751541-pat00018

Radar to set to satisfy.
제3 항에 있어서, 상기 신호 처리부는
상기 레이다에 지정된 방위각(φ) 및 고도각(θ) 범위, 방위각(φ) 및 고도각(θ) 범위 내에서 샘플링되는 샘플 개수(N φ , Nθ), 거리 압축에 의해 획득되는 거리 정보 개수(Nr)를 확인하고, N φ × Nθ × Nr 개의 3차원 구형 좌표에서의 위치(nφ, nθ, nr)별 신호 세기(s(nφ, nθ, nr))를 수학식
Figure 112019043133918-pat00019

에 따라 획득하는 레이다.
The method of claim 3, wherein the signal processing unit
Range azimuth (φ) and elevation angle (θ) assigned to the radar, the azimuth angle (φ) and elevation angle (θ) range in number of samples to be sampled from the (N φ, N θ), the distance information, the number obtained by the distance compression Check (N r ), and signal strength for each position (n φ , n θ , n r ) in N φ × N θ × N r three-dimensional spherical coordinates (s(n φ , n θ , n r )) Equation
Figure 112019043133918-pat00019

Radar acquired according to.
제1 항에 있어서, 상기 안테나 제어부는
상기 회전 구동부가 상기 배열 안테나부를 회전시키는 회전 원점의 위치를 조절할 수 있으면, 상기 최대 위상 중심 거리(al,max)가 수학식
Figure 112020085751541-pat00020

을 만족하도록 제어하는 레이다.
The method of claim 1, wherein the antenna control unit
If the rotation driving unit can adjust the position of the rotation origin for rotating the array antenna unit, the maximum phase center distance (a l,max ) is Equation
Figure 112020085751541-pat00020

Radar to control to satisfy.
제1 항에 있어서, 상기 배열 안테나부는
상기 다수의 안테나 사이의 간격이 상기 중심 주파수 파장(λ)의 1/2를 초과하는 레이다.
The method of claim 1, wherein the array antenna unit
A radar in which the spacing between the plurality of antennas exceeds 1/2 of the center frequency wavelength λ.
기지정된 레이다 사양에 따라 다수의 안테나가 배열된 배열 안테나를 상기 다수의 안테나가 배열된 평면 상의 미리 지정된 회전 원점을 중심으로 회전시킬 회전 각도 단위와 상기 회전 각도 단위로 상기 배열 안테나를 회전시킬 최대 회전 횟수를 설정하는 단계;
설정된 회전 각도 단위로 상기 배열 안테나를 다수의 안테나가 배열된 평면에 평행하게 회전시키는 단계;
상기 배열 안테나의 회전 위치별로 송신 방사하고, 상기 다수의 안테나 각각으로 수신되는 수신 신호를 획득하는 단계;
상기 수신 신호에 상기 배열 안테나의 회전 위치에 따른 복소 가중치를 가중하여 합성하는 단계; 및
3차원 위치별로 합성된 신호 세기를 표시하여 3차원 영상을 획득하는 단계; 를 포함하되,
상기 회전 횟수를 설정하는 단계는
상기 레이다의 중심 주파수의 파장(λ)과 요구되는 빔폭(θ3dB) 및 각도 해상도(δθ3dB)와 상기 다수의 안테나의 배열에 따른 다수의 채널의 배치 구조를 확인하는 단계; 및
상기 회전 원점과 회전 원점에서 가장 먼 거리의 채널의 위상 중심 거리인 최대 위상 중심 거리(al,max)와 빔폭(θ3dB)에 따라 상기 회전 각도 단위(Δα)를 수학식
Figure 112020085751541-pat00030

을 만족하도록 설정하는 단계; 를 포함하는 레이다의 3차원 영상 획득 방법.

The array antenna in which a plurality of antennas are arranged according to a predetermined radar specification is rotated around a predetermined rotation origin on a plane in which the plurality of antennas are arranged, and the maximum rotation to rotate the array antenna in the rotation angle unit. Setting the number of times;
Rotating the array antenna parallel to a plane in which a plurality of antennas are arranged in units of a set rotation angle;
Transmitting and emitting radiation for each rotational position of the array antenna, and obtaining a received signal received through each of the plurality of antennas;
Synthesizing the received signal by weighting a complex weight according to a rotation position of the array antenna; And
Obtaining a 3D image by displaying the synthesized signal strength for each 3D position; Including,
The step of setting the number of rotations
Confirming the arrangement structure of the plurality of channels according to the wavelength (λ) of the center frequency of the radar, the required beam width (θ 3dB ) and angular resolution (δθ 3dB ), and the arrangement of the plurality of antennas; And
The rotation angle unit (Δα) is calculated according to the maximum phase center distance (a l,max ) and the beam width (θ 3dB ), which are the phase center distances of the channel at the farthest distance from the rotation origin and the rotation origin.
Figure 112020085751541-pat00030

Setting to satisfy; Radar 3D image acquisition method comprising a.

삭제delete 제7 항에 있어서, 상기 회전 횟수를 설정하는 단계는
상기 배열 안테나의 다수의 채널의 위상 중심이 상기 회전 원점을 중심으로 n차 회전 대칭으로 배치된 경우, 상기 최대 회전 횟수(M)를 수학식
Figure 112020085751541-pat00022

를 만족하도록 설정하는 단계; 를 더 포함하는 레이다의 3차원 영상 획득 방법.
The method of claim 7, wherein the setting of the number of rotations comprises:
When the phase centers of the plurality of channels of the array antenna are arranged in n-th rotational symmetry around the rotation origin, the maximum number of rotations (M) is expressed as
Figure 112020085751541-pat00022

Setting to satisfy; Radar 3D image acquisition method further comprising a.
제9 항에 있어서, 상기 합성하는 단계는
상기 레이다에 지정된 방위각(φ) 및 고도각(θ) 범위, 방위각(φ) 및 고도각(θ) 범위 내에서 샘플링되는 샘플 개수(N φ , Nθ), 거리 압축에 의해 획득되는 거리 정보 개수(Nr)를 확인하는 단계;
N φ × Nθ × Nr 개의 3차원 구형 좌표에서의 위치(nφ, nθ, nr)별 신호 세기(s(nφ, nθ, nr))를 수학식
Figure 112019043133918-pat00023

에 따라 획득하는 단계; 를 포함하는 레이다의 3차원 영상 획득 방법.
The method of claim 9, wherein the synthesizing step
Range azimuth (φ) and elevation angle (θ) assigned to the radar, the azimuth angle (φ) and elevation angle (θ) range in number of samples to be sampled from the (N φ, N θ), the distance information, the number obtained by the distance compression Identifying (N r );
Equation of the signal strength (s(n φ , n θ , n r )) for each location (n φ , n θ , n r ) in N φ × N θ × N r three-dimensional spherical coordinates
Figure 112019043133918-pat00023

Obtaining according to; Radar 3D image acquisition method comprising a.
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